JP2022550822A - Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery containing the same - Google Patents

Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery containing the same Download PDF

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Abstract

電池の容量を増加させることができる反応性の高い溶媒及びリチウム塩と、電池の寿命を増加させることができる安定性の高い溶媒及びリチウム塩を組み合わせることで電池の性能を向上させることができる、リチウム二次電池用電解液及びこれを含むリチウム二次電池が開示される。前記リチウム二次電池用電解液は、一つ以上の二重結合を含むと同時に酸素原子及び硫黄原子の中でいずれか一つを含むヘテロ環化合物を含む第1溶媒と;フッ素を含まないエーテル系化合物、エステル系化合物、アミド系化合物及びカーボネート系化合物の中でいずれか一つ以上を含む第2溶媒と;ヒドロフルオロエーテル系化合物を含む第3溶媒と;リチウム塩と;硝酸ランタンと;硝酸リチウムと;を含む。Battery performance can be improved by combining highly reactive solvents and lithium salts, which can increase battery capacity, with highly stable solvents and lithium salts, which can increase battery life. An electrolyte for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery containing the same are disclosed. The electrolyte for a lithium secondary battery includes a first solvent containing a heterocyclic compound containing at least one double bond and containing either one of an oxygen atom and a sulfur atom; and a fluorine-free ether. a second solvent containing any one or more of a compound, an ester compound, an amide compound and a carbonate compound; a third solvent containing a hydrofluoroether compound; a lithium salt; lanthanum nitrate; nitric acid Lithium and;

Description

本出願は2020年5月18日付け韓国特許出願第10-2020-0059383号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として組み込まれる。 This application claims the benefit of priority based on Korean Patent Application No. 10-2020-0059383 dated May 18, 2020, and all contents disclosed in the documents of that Korean Patent Application are incorporated herein by reference. incorporated as.

本発明はリチウム二次電池用電解液及びこれを含むリチウム二次電池に係り、より詳細には、電池の容量を増加させることができる反応性の高い溶媒及びリチウム塩と、電池の寿命を増加させることができる安定性の高い溶媒及びリチウム塩を組み合わせることで電池の性能を向上させることができる、リチウム二次電池用電解液及びこれを含むリチウム二次電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrolyte for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same, and more particularly, to a highly reactive solvent and a lithium salt capable of increasing battery capacity and increasing battery life. The present invention relates to an electrolytic solution for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery containing the same, which can improve the performance of the battery by combining a highly stable solvent and a lithium salt.

エネルギー貯蔵技術に対する関心が段々高くなるにつれ、携帯電話、タブレット(tablet)、ラップトップ(laptop)及びカムコーダー、さらに電気自動車(EV)及びハイブリッド電気自動車(HEV)のエネルギーまで適用分野が拡大され、電気化学素子に対する研究及び開発が段々増大されている。電気化学素子はこのような側面で最も注目を浴びている分野であり、その中でも充放電可能なリチウム-硫黄電池のような二次電池の開発は関心の的になっていて、最近はこのような電池を開発するにあたり容量密度及び比エネルギーを向上させるために新しい電極と電池の設計に対する研究開発につながっている。 With the increasing interest in energy storage technology, the fields of application have expanded to energy for mobile phones, tablets, laptops and camcorders, as well as electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV). Research and development on chemical elements are increasing. Electrochemical devices are a field that has received the most attention in this aspect, and among them, the development of secondary batteries such as rechargeable lithium-sulfur batteries has become a focus of interest. In order to improve the capacity density and specific energy in the development of a new battery, research and development into new electrode and battery designs have been conducted.

このような電気化学素子、その中でリチウム-硫黄電池(Li-S battery)は高いエネルギー密度(理論容量)を持ち、リチウムイオン電池を代替することができる次世代二次電池として脚光を浴びている。このようなリチウム-硫黄電池内では、放電の際に硫黄の還元反応とリチウム金属の酸化反応が起きるし、この時の硫黄は環構造のSから線状構造のリチウムポリスルフィド(Lithium Polysulfide、LiPS)を形成するようになって、このようなリチウム-硫黄電池はポリスルフィドが完全にLiSに還元されるまで段階的放電電圧を示すことが特徴である。 Among such electrochemical devices, a lithium-sulfur battery (Li-S battery) has a high energy density (theoretical capacity) and has been spotlighted as a next-generation secondary battery that can replace a lithium-ion battery. there is In such a lithium-sulfur battery, a reduction reaction of sulfur and an oxidation reaction of lithium metal occur during discharge. At this time, sulfur is converted from ring-structured S8 to linear-structured lithium polysulfide (LiPS). ), such lithium-sulfur cells are characterized by a stepwise discharge voltage until the polysulfide is completely reduced to Li 2 S.

しかし、リチウム-硫黄電池の商業化において最大の障害物は寿命であって、充放電過程中に充電/放電効率(Efficiency)が減って電池の寿命が退化するようになる。このようなリチウム-硫黄電池の寿命が退化する原因としては、電解液の副反応(電解液の分解による副産物の堆積)、リチウム金属の不安定性(リチウムの負極上にデンドライトが成長してショート発生)及び正極副産物の堆積(正極からのリチウムポリスルフィド溶出)などで多様である。 However, the biggest obstacle in the commercialization of lithium-sulfur batteries is their lifespan. The causes of the deterioration of the life of such lithium-sulfur batteries include the side reactions of the electrolyte (accumulation of by-products due to the decomposition of the electrolyte), the instability of lithium metal (dendrite growth on the lithium negative electrode and the occurrence of short circuits). ) and cathode by-product deposition (lithium polysulfide elution from the cathode).

すなわち、硫黄系列の化合物を正極活物質で使用し、リチウムのようなアルカリ金属を負極活物質で使用する電池において、充放電の際にリチウムポリスルフィドの溶出及びシャトル現象が発生し、リチウムポリスルフィドが負極に伝達されてリチウム-硫黄電池の容量が減少し、これによってリチウム-硫黄電池は寿命と反応性が減少する大きな問題点を持っている。すなわち、正極で溶出されたポリスルフィドは有機電解液への溶解度が高いため、電解液を通じて負極の方へ望まない移動(PS shuttling)が起きることがあって、その結果、正極活物質の非可逆的損失による容量減少及び副反応によるリチウム金属表面への硫黄粒子の蒸着による電池寿命減少が発生するようになる。 That is, in a battery in which a sulfur-based compound is used as a positive electrode active material and an alkali metal such as lithium is used as a negative electrode active material, elution and shuttle phenomenon of lithium polysulfide occurs during charging and discharging, and lithium polysulfide is transferred to the negative electrode. As a result, the capacity of the lithium-sulfur battery is reduced, and thus the lithium-sulfur battery has a serious problem of reduced life and reactivity. That is, since the polysulfide eluted from the positive electrode is highly soluble in the organic electrolyte, undesirable migration (PS shuttling) may occur toward the negative electrode through the electrolyte, resulting in irreversible deterioration of the positive electrode active material. Battery life is reduced due to capacity reduction due to loss and deposition of sulfur particles on the surface of lithium metal due to side reactions.

一方、このようなリチウム-硫黄電池の挙動は電解液によって大きく変わることがあるが、正極の硫黄(sulfur)が電解液にリチウムポリスルフィド(LiPS)の形態で溶出される場合の電解液をカソライト(Catholye)と称し、硫黄がリチウムポリスルフィドの形態でほとんど溶出されない場合の電解液を難溶性電解質(SSE:Sparingly Soluble or Solvating Electrolyte)と称する。すなわち、当業界では正極活物質である硫黄が電解液に溶出されて出ないリチウム-硫黄電池に対する多様な研究(正極複合体にLiPS吸着物質を添加したり、既存PEなどからなる分離膜を改質させるなどの研究)が行われ、特に、硫黄が最終放電産物であるLiSで固体-固体(Solid-to-Solid)反応を進めることができる電解液に対しても研究が行われているが、未だにこれといった成果を出せない実情である。したがって、リチウムポリスルフィドが負極に移動してリチウム-硫黄電池の寿命を減少させ、多量のリチウムポリスルフィドによって反応性が減少する現象を抑制させることができる、もっと根本的な方案が要求される。 On the other hand, the behavior of the lithium-sulfur battery may vary greatly depending on the electrolyte. Catholye), and an electrolyte in which sulfur is hardly eluted in the form of lithium polysulfide is called sparingly soluble or solvating electrolyte (SSE). That is, in the industry, various researches on lithium-sulfur batteries in which sulfur, the positive electrode active material, is not eluted into the electrolyte In particular, research has been conducted on an electrolytic solution that can promote a Solid-to-Solid reaction with Li 2 S, which is the final discharge product of sulfur. However, the reality is that we are still unable to produce results of this magnitude. Therefore, there is a need for a more fundamental method that can suppress the phenomenon that lithium polysulfide migrates to the negative electrode, shortening the life of the lithium-sulfur battery, and reducing the reactivity due to a large amount of lithium polysulfide.

ここで、当業界では電解液の副反応問題などを防ぐための一環として、既存に知られているエーテル系溶媒などを含む電解液を、硝酸ランタン(La(NO)などの硝酸系化合物まで含む電解液などに変更しようとする試みが続いているが、いまだに根本的な解決が難しい実情である。 Here, in the industry, as a part of preventing the side reaction problem of the electrolytic solution, the electrolytic solution containing an existing known ether-based solvent is replaced with a nitric acid-based solvent such as lanthanum nitrate (La(NO 3 ) 3 ). Attempts are being made to change the electrolyte to one containing compounds, but it is still difficult to find a fundamental solution.

すなわち、硝酸ランタンはリチウム-硫黄電池のクーロン効率(coulombic efficiency)を向上させるなどの長所を持っていて、リチウム-硫黄電池用電解液としてよく使われている。これと係って、非特許文献1は、表面を安定化させる電解質添加剤として硝酸ランタン(La(NO)を適用したリチウム-硫黄電池を開示し、具体的には硝酸ランタン以外に1,3-ジオキソラン(DOL)、ジメトキシエタン(DME)及びLiTFSIまで含むリチウム-硫黄電池用電解質を開示しているが、リチウム-硫黄電池の寿命が退化する問題を根本的に改善することはできない。 That is, lanthanum nitrate has advantages such as improving the coulombic efficiency of lithium-sulfur batteries, and is often used as an electrolyte for lithium-sulfur batteries. In this connection, Non-Patent Document 1 discloses a lithium-sulfur battery using lanthanum nitrate (La(NO 3 ) 3 ) as an electrolyte additive for stabilizing the surface. Although electrolytes for lithium-sulfur batteries including 1,3-dioxolane (DOL), dimethoxyethane (DME), and even LiTFSI are disclosed, the problem of deterioration of lithium-sulfur battery life cannot be fundamentally improved. .

したがって、リチウム-硫黄電池のクーロン効率を向上させることに効果のある硝酸ランタンを使用し、電池の寿命性能を画期的に改善させることができる新規なリチウム二次電池用電解液の開発が要求される。 Therefore, it is necessary to develop a new electrolyte for lithium secondary batteries that can dramatically improve battery life performance by using lanthanum nitrate, which is effective in improving the coulombic efficiency of lithium-sulfur batteries. be done.

ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES 2016、8、P.7783-7789ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES 2016, 8, p. 7783-7789

したがって、本発明の目的は、電池の容量を増加させることができる反応性の高い溶媒及びリチウム塩と、電池寿命を増加させることができる安定性の高い溶媒及びリチウム塩を組み合わせることで電池の性能を向上させることができる、リチウム二次電池用電解液及びこれを含むリチウム二次電池を提供することである。 It is therefore an object of the present invention to improve battery performance by combining highly reactive solvents and lithium salts that can increase battery capacity and highly stable solvents and lithium salts that can increase battery life. It is an object of the present invention to provide an electrolytic solution for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery containing the same, which can improve the

前記目的を達成するために、本発明は、一つ以上の二重結合を含むと同時に酸素原子及び硫黄原子の中でいずれか一つを含むヘテロ環化合物を含む第1溶媒と;フッ素を含まないエーテル系化合物、エステル系化合物、アミド系化合物及びカーボネート系化合物の中でいずれか一つ以上を含む第2溶媒と;ヒドロフルオロエーテル系化合物を含む第3溶媒と;リチウム塩と;硝酸ランタンと;硝酸リチウムと;を含むリチウム二次電池用電解液を提供する。 To achieve the above objects, the present invention provides a first solvent containing a heterocyclic compound containing one or more double bonds and at the same time containing any one of an oxygen atom and a sulfur atom; a second solvent containing any one or more of an ether-based compound, an ester-based compound, an amide-based compound, and a carbonate-based compound; a third solvent including a hydrofluoroether-based compound; a lithium salt; and lanthanum nitrate. and lithium nitrate.

また、本発明は、正極と;負極と;前記正極と負極の間に介在される分離膜と;前記リチウム二次電池用電解液と;を含むリチウム二次電池を提供する。 The present invention also provides a lithium secondary battery comprising: a positive electrode; a negative electrode; a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and the electrolyte for the lithium secondary battery.

本発明によるリチウム二次電池用電解液及びこれを含むリチウム二次電池によると、電池の容量を増加させることができる反応性の高い溶媒及びリチウム塩と、電池の寿命を増加させることができる安定性の高い溶媒及びリチウム塩を組み合わせることで電池の性能を向上させることができるし、より具体的には、リチウム-硫黄電池のクーロン効率を向上させるなどの長所を持つ硝酸ランタンとヒドロフルオロエーテル系化合物をさらに含ませることによってサイクル寿命などの電池性能を向上させることができる長所を持つ。 According to the electrolyte for a lithium secondary battery and the lithium secondary battery including the same according to the present invention, a highly reactive solvent and a lithium salt that can increase the capacity of the battery and a stable electrolyte that can increase the life of the battery Battery performance can be improved by combining high-strength solvents and lithium salts. It has the advantage of improving battery performance such as cycle life by further including a compound.

本発明の一実施例によって製造されたリチウム二次電池のクーロン効率、放電容量及び寿命性能を示すグラフである。4 is a graph showing coulombic efficiency, discharge capacity and life performance of a lithium secondary battery manufactured according to an embodiment of the present invention; 本発明の一実施例によって製造されたリチウム二次電池のクーロン効率、放電容量及び寿命性能を示すグラフである。4 is a graph showing coulombic efficiency, discharge capacity and life performance of a lithium secondary battery manufactured according to an embodiment of the present invention; 比較例によって製造されたリチウム二次電池のクーロン効率、放電容量及び寿命性能を示すグラフである。4 is a graph showing coulombic efficiency, discharge capacity and life performance of a lithium secondary battery manufactured according to a comparative example;

以下、本発明を詳しく説明する。 The present invention will be described in detail below.

本発明によるリチウム二次電池用電解液は、A)一つ以上の二重結合を含むと同時に酸素原子及び硫黄原子の中でいずれか一つを含むヘテロ環化合物を含む第1溶媒、B)フッ素を含まないエーテル系化合物、エステル系化合物、アミド系化合物及びカーボネート系化合物の中でいずれか一つ以上を含む第2溶媒、C)ヒドロフルオロエーテル系化合物を含む第3溶媒、D)リチウム塩、E)硝酸ランタン及びF)硝酸リチウムを含む。 The electrolyte for a lithium secondary battery according to the present invention includes: A) a first solvent containing a heterocyclic compound containing at least one double bond and containing any one of an oxygen atom and a sulfur atom, and B) A second solvent containing at least one of fluorine-free ether-based compounds, ester-based compounds, amide-based compounds and carbonate-based compounds, C) a third solvent containing a hydrofluoroether-based compound, D) lithium salt , E) lanthanum nitrate and F) lithium nitrate.

本出願人は、前述したようにリチウム-硫黄電池のクーロン効率を向上させるために効果のある硝酸ランタンを使用し、電池の寿命性能を画期的に改善させることができる新規なリチウム二次電池用電解液の開発が要求される現時点において、電池の容量を増加させることができる反応性の高い溶媒及びリチウム塩と、電池の寿命を増加させることができる安定性の高い溶媒及びリチウム塩を組み合わせることで電池性能を向上させることができるし、より具体的には、リチウム-硫黄電池のクーロン効率を向上させるなどの長所を持っている硝酸ランタンとヒドロフルオロエーテル系化合物を既存の電解液成分として使われていた化合物と組み合わせることによってサイクル寿命などの電池性能を向上させることができるリチウム二次電池用電解液を開発した。 As described above, the present applicant has developed a novel lithium secondary battery that can dramatically improve battery life performance by using lanthanum nitrate, which is effective in improving the coulombic efficiency of lithium-sulfur batteries. At the present time, when the development of electrolytes for batteries is required, we combine highly reactive solvents and lithium salts that can increase battery capacity and highly stable solvents and lithium salts that can increase battery life. In particular, lanthanum nitrate and hydrofluoroether compounds, which have advantages such as improving the coulombic efficiency of lithium-sulfur batteries, can be used as existing electrolyte components. We have developed an electrolyte for lithium secondary batteries that can improve battery performance such as cycle life by combining it with the compounds used.

すなわち、リチウム-硫黄電池などのリチウム二次電池に適用可能な電解液は、電解液の中に含まれている有機溶媒とリチウム塩(Li-Salt)の種類によって電池の寿命または効率などの性能差につながる。ここで、本出願人は、電池の容量を増加させることができる反応性の高い溶媒及びリチウム塩と、電池の寿命を増加させることができる安定性の高い溶媒及びリチウム塩を組み合わせることで電池の性能を向上させることができる方案を模索するために研究を繰り返えした結果、
i)リチウム-硫黄電池のクーロン効率を向上させるなどの長所を持っている「ヒドロフルオロエーテル系(HFE Type)化合物」を電解液に含ませ(正確には、既存の電解液成分で使われていたジメトキシエタン(DME)の一部を代替)、
ii)同様に、リチウム-硫黄電池のクーロン効率を向上させるなどの長所を持っている「硝酸ランタン(La(NO)」を電解液に含ませると同時に(正確には、既存の電解液成分で使われていたLiNOの一部を代替)、
iii)既存の電解液成分で使われていた1,3-ジオキソラン(DOL)を「一つ以上の二重結合を含むと同時に酸素原子及び硫黄原子の中でいずれか一つを含むヘテロ環化合物を含む溶媒(第1溶媒)」に変更し、
iv)また、同様に、既存の電解液成分で使われていたLiTFSIを「LiFSIなどの他のリチウム塩」に変更して、反応性及び寿命などが改善された本発明を想到した。
That is, the electrolyte that can be applied to lithium secondary batteries such as lithium-sulfur batteries depends on the type of organic solvent and lithium salt (Li-Salt) contained in the electrolyte. lead to differences. Here, the Applicant has discovered that by combining highly reactive solvents and lithium salts that can increase battery capacity with highly stable solvents and lithium salts that can increase battery life. As a result of repeated research to find ways to improve performance,
i) The electrolytic solution contains a ``hydrofluoroether (HFE type) compound'' that has advantages such as improving the coulombic efficiency of lithium-sulfur batteries (exactly, it is used in the existing electrolytic solution components. partially replaced dimethoxyethane (DME)),
ii) Similarly, the electrolytic solution contains "lanthanum nitrate (La( NO3 ) 3 )", which has advantages such as improving the coulombic efficiency of lithium-sulfur batteries. part of the LiNO3 used in the liquid component),
iii) 1,3-dioxolane (DOL), which has been used as a component of the existing electrolyte solution, has been replaced with "a heterocyclic compound containing one or more double bonds and at the same time containing either one of an oxygen atom and a sulfur atom. Change to "solvent containing (first solvent)",
iv) Similarly, by replacing LiTFSI used in existing electrolyte components with 'other lithium salts such as LiFSI', the inventors have come up with the present invention in which reactivity and life are improved.

以下、本発明のリチウム二次電池用電解液に含まれるA)第1溶媒、B)第2溶媒、C)第3溶媒、D)リチウム塩、E)硝酸ランタン及びF)硝酸リチウムのそれぞれについて具体的に説明する。 Hereinafter, each of A) first solvent, B) second solvent, C) third solvent, D) lithium salt, E) lanthanum nitrate and F) lithium nitrate contained in the electrolyte solution for a lithium secondary battery of the present invention A specific description will be given.

A)第1溶媒
前記第1溶媒は、一つ以上の二重結合を含むと同時に酸素原子及び硫黄原子の中でいずれか一つを含むヘテロ環化合物を含むものであって、ヘテロ原子(酸素原子または硫黄原子)の孤立電子対(lone pair electrons)の非局在化(delocalization)によって塩(salt)を溶解させにくい特性を持つので、電池の初期放電段階でヘテロ環化合物の開環重合反応(ring opening reaction)によってリチウム系金属(負極)の表面に高分子保護膜(solid electrolyte interface、SEI層)を形成することでリチウムデンドライトの生成を抑制することができるし、さらにリチウム系金属表面での電解液分解及びそれによる副反応を減少させることでリチウム-硫黄電池の寿命特性を向上させることができる。
A) First solvent The first solvent contains a heterocyclic compound containing one or more double bonds and at the same time containing any one of an oxygen atom and a sulfur atom, wherein the heteroatom (oxygen Due to the delocalization of lone pair electrons (atoms or sulfur atoms), it is difficult to dissolve salts. Formation of lithium dendrites can be suppressed by forming a polymer protective film (solid electrolyte interface, SEI layer) on the surface of the lithium-based metal (negative electrode) by (ring opening reaction). It is possible to improve the life characteristics of the lithium-sulfur battery by reducing the decomposition of the electrolyte and the resulting side reactions.

すなわち、本発明のヘテロ環化合物は、リチウム系金属の表面に高分子保護膜を形成するために一つ以上の二重結合を必ず含まなければならず、極性を帯びるようにして電解液内で他の溶媒との親和度を高めるなどの効果を発現させるようにヘテロ原子(酸素原子または硫黄原子)もまた必ず含まなければならない。 That is, the heterocyclic compound of the present invention must contain at least one double bond in order to form a polymer protective film on the surface of the lithium-based metal, and must be polar in the electrolyte. A heteroatom (oxygen atom or sulfur atom) must also be included so as to exhibit effects such as enhancing affinity with other solvents.

前記ヘテロ環化合物は3ないし15員、好ましくは3ないし7員、より好ましくは5ないし6員のヘテロ環化合物であってもよい。また、このような前記ヘテロ環化合物は炭素数1ないし4のアルキル基、炭素数3ないし8の環状アルキル基、炭素数6ないし10のアリール基、ハロゲン基、ニトロ基(-NO)、アミン基(-NH)及びスルホニル基(-SO)からなる群から選択される1種以上に置換または非置換されたヘテロ環化合物である。また、前記ヘテロ環化合物は、炭素数3ないし8の環状アルキル基及び炭素数6ないし10のアリール基の中で1種以上とヘテロ環化合物の多重環化合物である。 The heterocyclic compound may be a 3- to 15-membered, preferably 3- to 7-membered, more preferably 5- to 6-membered heterocyclic compound. In addition, such heterocyclic compounds include an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a cyclic alkyl group having 3 to 8 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, a halogen group, a nitro group (-NO 2 ), an amine It is a heterocyclic compound substituted or unsubstituted by one or more selected from the group consisting of a group (-NH 2 ) and a sulfonyl group (-SO 2 ). In addition, the heterocyclic compound is a polycyclic compound of a heterocyclic compound and at least one of a cyclic alkyl group having 3 to 8 carbon atoms and an aryl group having 6 to 10 carbon atoms.

前記ヘテロ環化合物が炭素数1ないし4のアルキル基に置換された場合、ラジカルが安定化されて電解液間の副反応を抑制させることができて好ましい。また、ハロゲン基またはニトロ基に置換された場合、リチウム系金属表面に機能性保護膜を形成することができて好ましく、この時、前記形成された機能性保護膜は圧縮(compact)された形態の保護膜として安定していて、リチウム系金属の均一な蒸着(deposition)ができるようにし、ポリスルフィドとリチウム系金属間の副反応を抑制させることができる長所がある。 When the heterocyclic compound is substituted with an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, the radical is stabilized and side reactions between electrolytes can be suppressed, which is preferable. In addition, when substituted with a halogen group or a nitro group, a functional protective film can be formed on the surface of the lithium-based metal, and at this time, the formed functional protective film is in a compact form. It is stable as a protective film of , enables uniform deposition of lithium-based metal, and inhibits side reaction between polysulfide and lithium-based metal.

前記ヘテロ環化合物の具体的な例では、フラン(furan)、2-メチルフラン(2-methylfuran)、3-メチルフラン(3-methylfuran)、2-エチルフラン(2-ethylfuran)、2-プロピルフラン(2-propylfuran)、2-ブチルフラン(2-butylfuran)、2,3-ジメチルフラン(2,3-dimethylfuran)、2,4-ジメチルフラン(2,4-dimethylfuran)、2,5-ジメチルフラン(2,5-dimethylfuran)、ピラン(pyran)、2-メチルピラン(2-methylpyran)、3-メチルピラン(3-methylpyran)、4-メチルピラン(4-methylpyran)、ベンゾフラン(benzofuran)、2-(2-ニトロビニル)フラン(2-(2-Nitrovinyl)furan)、チオフェン(thiophene)、2-メチルチオフェン(2-methylthiophene)、2-エチルチオフェン(2-ethylthiphene)、2-プロピルチオフェン(2-propylthiophene)、2-ブチルチオフェン(2-butylthiophene)、2,3-ジメチルチオフェン(2,3-dimethylthiophene)、2,4-ジメチルチオフェン(2,4-dimethylthiophene)及び2,5-ジメチルチオフェン(2,5-dimethylthiophene)からなる群から選択される1種以上を挙げることができるが、これに制限されるものではなく、この中で2-メチルフランを第1溶媒で含むことが好ましい。 Specific examples of the heterocyclic compound include furan, 2-methylfuran, 3-methylfuran, 2-ethylfuran, 2-propylfuran (2-propylfuran), 2-butylfuran, 2,3-dimethylfuran (2,3-dimethylfuran), 2,4-dimethylfuran (2,4-dimethylfuran), 2,5-dimethylfuran (2,5-dimethylfuran), pyran, 2-methylpyran, 3-methylpyran, 4-methylpyran, benzofuran, 2-(2- 2-(2-Nitrovinyl)furan, thiophene, 2-methylthiophene, 2-ethylthiophene, 2-propylthiophene, 2 - 2-butylthiophene, 2,3-dimethylthiophene, 2,4-dimethylthiophene and 2,5-dimethylthiophene One or more selected from the group consisting of, but not limited to, 2-methylfuran is preferably included in the first solvent.

B)第2溶媒
前記第2溶媒は、フッ素を含まないエーテル系化合物、エステル系化合物、アミド系化合物及びカーボネート系化合物の中でいずれか一つ以上を含むものであって、リチウム塩を溶解して電解液がリチウムイオン伝導度を持つようにするだけでなく、正極活物質である硫黄を溶出させてリチウムと電気化学的反応を円滑に進めるようにする役目をし、前記カーボネート系化合物の場合、線状カーボネート系化合物または環状カーボネート系化合物である。一方、第2溶媒の中でフッ素を含まない化合物はエーテル系化合物に限るものであり、残りのエステル系化合物、アミド系化合物及びカーボネート系化合物はフッ素を含むことができることを明示する。
B) Second solvent The second solvent contains one or more of fluorine-free ether-based compounds, ester-based compounds, amide-based compounds and carbonate-based compounds, and dissolves the lithium salt. In the case of the carbonate-based compound, it not only makes the electrolyte have lithium ion conductivity, but also dissolves sulfur, which is a positive electrode active material, to facilitate an electrochemical reaction with lithium. , a linear carbonate-based compound or a cyclic carbonate-based compound. On the other hand, the compounds containing no fluorine in the second solvent are limited to ether-based compounds, and the remaining ester-based compounds, amide-based compounds and carbonate-based compounds may contain fluorine.

前記フッ素を含まないエーテル系化合物の具体的な例では、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、メチルエチルエーテル、メチルプロピルエーテル、エチルプロピルエーテル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、メトキシエトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールメチルエチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジエチルエーテル、テトラエチレングリコールメチルエチルエーテル、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、ポリエチレングリコールジエチルエーテル及びポリエチレングリコールメチルエチルエーテルからなる群から選択される1種以上を挙げることができるが、これに限定されるものではなく、この中でジメトキシエタンを第2溶媒で含むことが好ましい。 Specific examples of the fluorine-free ether compounds include dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methyl ethyl ether, methyl propyl ether, ethyl propyl ether, dimethoxyethane, diethoxyethane, methoxyethoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, Diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol methyl ethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol methyl ethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol diethyl ether, tetraethylene glycol methyl ethyl ether, polyethylene glycol dimethyl ether, polyethylene One or more selected from the group consisting of glycol diethyl ether and polyethylene glycol methyl ethyl ether can be used, but the second solvent is not limited thereto, and dimethoxyethane is preferably included as the second solvent.

また、前記エステル系化合物では、メチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、メチルプロピオネイト、エチルプロピオネイト、プロピルプロピオネイト、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、γ-カプロラクトン、σ-バレロラクトン及びε-カプロラクトンからなる群から選択される1種以上を挙げることができるが、これに限定されるものではない。また、前記アミド系化合物は当業界で使用中の通常のアミド系化合物である。 The ester compounds include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, σ-valerolactone and One or more selected from the group consisting of ε-caprolactone can be mentioned, but not limited thereto. Also, the amide-based compound is a common amide-based compound used in the industry.

また、前記線状カーボネート系化合物では、ジメチルカーボネート(dimethyl carbonate、DMC)、ジエチルカーボネート(diethyl carbonate、DEC)、ジプロピルカーボネート(dipropyl carbonate、DPC)、エチルメチルカーボネート(ethylmethyl carbonate、EMC)、メチルプロピルカーボネート(methylpropyl carbonate、MPC)及びエチルプロピルカーボネート(ethylpropyl carbonate、EPC)からなる群から選択される1種以上を挙げることができるが、これに限定されるものではない。 In addition, the linear carbonate-based compounds include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl One or more selected from the group consisting of carbonate (MPC) and ethylpropyl carbonate (EPC) can be used, but not limited thereto.

また、前記環状カーボネート系化合物では、エチレンカーボネート(ethylene carbonate、EC)、プロピレンカーボネート(propylene carbonate、PC)、1,2-ブチレンカーボネート、2,3-ブチレンカーボネート、1,2-ペンチレンカーボネート、2,3-ペンチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート及びこれらのハロゲン化物(フルオロエチレンカーボネート(fluoroethylene carbonate、FEC)など)からなる群から選択される1種以上を挙げることができるが、これに限定されるものではない。 The cyclic carbonate compounds include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, 2 , 3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, and halides thereof (fluoroethylene carbonate, FEC, etc.). not to be

C)第3溶媒
前記第3溶媒は、ヒドロフルオロエーテル系(HFE Type)化合物を含むものであって、ポリスルフィドの溶解及び溶媒分解抑制効果を持つことによって、電池のクーロン効率(coulombic efficiency;C.E.)を向上させ、究極的には電池の寿命を向上させる役目をする。
C) Third Solvent The third solvent contains a hydrofluoroether (HFE type) compound and has the effect of inhibiting the dissolution and solvent decomposition of polysulfides, thereby improving the coulombic efficiency of the battery. E.) and ultimately serve to improve battery life.

前記ヒドロフルオロエーテル系化合物の具体的な例では、ビス(フルオロメチル)エーテル、2-フルオロメチルエーテル、1,1,2,2-テトラフルオロエチル2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル、ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エーテル、プロピル1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル、イソプロピル1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル、1,1,2,2-テトラフルオロエチルイソブチルエーテル、1,1,2,3,3,3-ヘキサフルオロプロピルエチルエーテル、1H,1H,2’H,3H-デカフルオロジプロピルエーテル及び1H,1H,2’H-パーフルオロジプロピルエーテルからなる群から選択される1種以上を例示することができるし、この中でビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エーテル(BTFE)を必須成分として含むことが好ましい。 Specific examples of the hydrofluoroether compounds include bis(fluoromethyl) ether, 2-fluoromethyl ether, 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether, Bis(2,2,2-trifluoroethyl) ether, propyl 1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether, isopropyl 1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether, 1,1,2,2- Tetrafluoroethyl isobutyl ether, 1,1,2,3,3,3-hexafluoropropyl ethyl ether, 1H,1H,2'H,3H-decafluorodipropyl ether and 1H,1H,2'H-perfluoro One or more selected from the group consisting of dipropyl ether can be exemplified, and among these, bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether (BTFE) is preferably included as an essential component.

以上のような第1溶媒、第2溶媒及び第3溶媒の含量について見ると、前記第1溶媒、第2溶媒及び第3溶媒の全体含量を基準にして、前記第1溶媒の含量は5ないし50体積%、好ましくは10ないし30体積%で、前記第2溶媒の含量は45ないし90体積%、好ましくは60ないし80体積%で、前記第3溶媒の含量は1ないし10体積%、好ましくは5ないし10体積%である。 Regarding the contents of the first solvent, the second solvent and the third solvent as described above, the content of the first solvent is 5 to 5 based on the total contents of the first solvent, the second solvent and the third solvent. 50 vol%, preferably 10 to 30 vol%, the content of the second solvent is 45 to 90 vol%, preferably 60 to 80 vol%, the content of the third solvent is 1 to 10 vol%, preferably 5 to 10% by volume.

一方、前記第3溶媒が10体積%を超えると、抵抗が増加することによって電池の放電容量を低下させる要因として作用することがあるし、前記第3溶媒は前記第2溶媒の一部を代替するものなので、特に前記第2溶媒と第3溶媒との混合比は、体積比として7~79:1、好ましくは7~15:1である。 On the other hand, if the amount of the third solvent exceeds 10% by volume, the resistance may increase, which may act as a factor to reduce the discharge capacity of the battery, and the third solvent may partially replace the second solvent. Therefore, the mixing ratio of the second solvent and the third solvent is 7 to 79:1, preferably 7 to 15:1 in terms of volume ratio.

前記第1溶媒を全体有機溶媒に対して5体積%未満で含めば、ポリスルフィドの溶出量を減少させる能力が低下して電解液の抵抗が増加することを抑制することができなくなったり、リチウム系金属の表面に保護膜が完璧に形成されない問題が発生することがある。また、前記第1溶媒を全体有機溶媒に対して50体積%を超える含量で含めば、電解液及びリチウム系金属の表面抵抗増加によって電池の放電容量などが減少する問題が発生する恐れがある。 If the amount of the first solvent is less than 5% by volume based on the total organic solvent, the ability to reduce the amount of polysulfide elution is reduced, and the increase in the resistance of the electrolyte cannot be suppressed. A problem may arise that the protective film is not completely formed on the metal surface. In addition, if the amount of the first solvent exceeds 50% by volume based on the total amount of the organic solvent, the surface resistance of the electrolyte and the lithium-based metal increases, which may lead to a decrease in the discharge capacity of the battery.

また、前記第2溶媒が全体有機溶媒に対して45体積%未満で含まれると、リチウム塩を充分に溶解させることができず、リチウムイオン伝導度が落ちる問題及び活物質である硫黄が溶解されることができる濃度を超えて析出される問題が発生する恐れがあるし、90体積%を超える場合は活物質である硫黄が溶出しすぎてリチウムポリスルフィドとリチウム負極のシャトル現象がひどくなって寿命が減少する問題が発生することがある。 In addition, if the second solvent is less than 45% by volume based on the total organic solvent, the lithium salt cannot be sufficiently dissolved, resulting in a decrease in lithium ion conductivity and dissolution of sulfur, which is an active material. If the concentration exceeds 90% by volume, sulfur, which is the active material, is eluted too much, and the shuttle phenomenon between the lithium polysulfide and the lithium negative electrode becomes severe. can cause a problem of decreasing

また、前記第3溶媒が全体有機溶媒に対して1体積%未満で含まれると、リチウムポリスルフィドの溶出を抑制することができる能力が足りない恐れがあるし、20重量%を超える場合は第3溶媒による物質伝達抵抗及びイオン伝導度の減少によって過電圧が大きく発生する問題が生じることがある。 In addition, if the third solvent is included in less than 1% by volume of the total organic solvent, the ability to suppress the elution of lithium polysulfide may be insufficient. A large overvoltage may occur due to a decrease in mass transfer resistance and ionic conductivity due to the solvent.

D)リチウム塩
前記リチウム塩は、イオン伝導性を増加させるために使われる電解質塩であって、当業界で通常使用するものであれば制限されずに使われることができる。前記リチウム塩の具体的な例では、LiCl、LiBr、LiI、LiClO、LiBF、LiB10Cl10、LiPF、LiCFSO、LiCFCO、LiCBO、LiAsF、LiSbF、LiAlCl、CHSOLi、CFSOLi、(CFSONLi、(CSONLi、(SOF)NLi、(CFSOCLi、クロロボランリチウム、炭素数4以下の低級脂肪族カルボン酸リチウム、4-フェニルホウ酸リチウム及びリチウムイミドからなる群から選択される1種以上を例示することができるし、この中でLiFSI((SOF)NLi)を必須成分で使用することが好ましい。同時に、本発明の一実施形態として、前記電解液はLiTFSI((CFSONLi)を含まない形態であってもよい。
D) Lithium salt The lithium salt is an electrolyte salt used to increase ionic conductivity, and can be used without limitation as long as it is commonly used in the art. Specific examples of said lithium salts include LiCl, LiBr, LiI, LiClO4 , LiBF4 , LiB10Cl10 , LiPF6 , LiCF3SO3 , LiCF3CO2 , LiC4BO8 , LiAsF6 , LiSbF6 , LiAlCl4 , CH3SO3Li , CF3SO3Li , ( CF3SO2 ) 2NLi , ( C2F5SO2 ) 2NLi , ( SO2F ) 2NLi , ( CF3SO2 ) 3 CLi, lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carboxylate having 4 or less carbon atoms, lithium 4-phenylborate and one or more selected from the group consisting of lithium imide, and LiFSI ( ( SO2F ) 2NLi ) is preferably used as an essential component. At the same time, as an embodiment of the present invention, the electrolyte may be in a form that does not contain LiTFSI ((CF 3 SO 2 ) 2 NLi).

前記リチウム塩の濃度はイオン伝導度などを考慮して決まることができるし、例えば0.1ないし2M、好ましくは0.5ないし1M、より好ましくは0.5ないし0.75Mである。前記リチウム塩の濃度が前記範囲未満の場合、電池駆動に適したイオン伝導度を確保しがたく、前記範囲を超える場合は電解液の粘度が増加してリチウムイオンの移動性が低下されたり、リチウム塩自体の分解反応が増加して電池性能が低下されることがある。 The concentration of the lithium salt can be determined in consideration of ionic conductivity, and is, for example, 0.1 to 2M, preferably 0.5 to 1M, more preferably 0.5 to 0.75M. When the concentration of the lithium salt is less than the above range, it is difficult to ensure ionic conductivity suitable for driving the battery. The decomposition reaction of the lithium salt itself may increase, resulting in deterioration of battery performance.

E)硝酸ランタン
前記硝酸ランタン(La(NO)は、電池のクーロン効率(coulombic efficiency;C.E.)を向上させ、究極的には電池の寿命を向上させるために使われる成分であって、前述したように、従来もこれを電解液成分で使用した場合があるが、該当事例は硝酸ランタン以外に1,3-ジオキソラン(DOL)、ジメトキシエタン(DME)及びLiTFSIを含んでいて、電池の寿命が退化する問題を根本的に改善することはできなかった(すなわち、硝酸ランタンは、DOL/DME/LiTFSIが混用された電解液内では効果の発現が難しい)。
E) Lanthanum Nitrate The lanthanum nitrate (La(NO 3 ) 3 ) is a component used to improve the coulombic efficiency (C.E.) of the battery and ultimately the life of the battery. As mentioned above, it has been used as an electrolyte component in the past, but the relevant cases included 1,3-dioxolane (DOL), dimethoxyethane (DME) and LiTFSI in addition to lanthanum nitrate. However, it was not possible to fundamentally solve the problem of deterioration of battery life (that is, it is difficult for lanthanum nitrate to exhibit its effect in an electrolyte containing a mixture of DOL/DME/LiTFSI).

しかし、本発明は、硝酸ランタン(La(NO)を使いながらも、既存電解液成分で使われていた1,3-ジオキソラン(DOL)を「一つ以上の二重結合を含むと同時に酸素原子及び硫黄原子の中でいずれか一つを含むヘテロ環化合物を含む溶媒(第1溶媒)」に変更し、また、ジメトキシエタン(DME)が占めていた含量の一部を「ヒドロフルオロエーテル系(HFE Type)」に代替し、また、既存電解液成分で使われていたLiTFSIを「LiFSIなどの他のリチウム塩」に変更して反応性及び寿命などが改善された本発明を想到した。 However, although the present invention uses lanthanum nitrate (La(NO 3 ) 3 ), it replaces 1,3-dioxolane (DOL), which was used in the existing electrolyte components, with the idea that it contains one or more double bonds. At the same time, the solvent containing a heterocyclic compound containing either one of oxygen atoms and sulfur atoms (first solvent)" was changed, and part of the content occupied by dimethoxyethane (DME) was changed to "hydrofluoro Ether type (HFE Type)”, and LiTFSI used in existing electrolyte components was changed to “other lithium salts such as LiFSI” to improve reactivity and life. did.

以上のような硝酸ランタンは、リチウム二次電池用電解液の総重量に対して1ないし10重量%、好ましくは2ないし7重量%、より好ましくは4ないし6重量%で含まれることができる。もし、前記硝酸ランタンが電解液の総重量に対して1重量%未満で含まれれば、電池のクーロン効率向上度合いが微々たるものになって寿命向上の度合いも微々たるものになる問題が発生する恐れがあるし、10重量%を超える場合は硝酸ランタンの使用によるこれ以上の利点が示されないこともある。 Lanthanum nitrate as described above may be included in an amount of 1 to 10 wt%, preferably 2 to 7 wt%, more preferably 4 to 6 wt%, based on the total weight of the electrolyte for a lithium secondary battery. If the lanthanum nitrate content is less than 1% by weight with respect to the total weight of the electrolyte, the coulombic efficiency of the battery will be marginally improved, and the life of the battery will be marginally improved. It is possible that more than 10% by weight may not show any further benefit from the use of lanthanum nitrate.

F)硝酸リチウム
また、本発明によるリチウム二次電池用電解液は硝酸リチウム(LiNO)を基本的に含む。ただし、必要に応じて、硝酸カリウム(KNO)、硝酸セシウム(CsNO)、硝酸マグネシウム(Mg(NO)、硝酸バリウム(Ba(NO)、亜硝酸リチウム(LiNO)、亜硝酸カリウム(KNO)及び亜硝酸セシウム(CsNO)からなる群から選択される1種以上をさらに含むことができる。
F) Lithium Nitrate Further, the electrolyte for a lithium secondary battery according to the present invention basically contains lithium nitrate (LiNO 3 ). However, if necessary, potassium nitrate (KNO 3 ), cesium nitrate (CsNO 3 ), magnesium nitrate (Mg(NO 3 ) 2 ), barium nitrate (Ba(NO 3 ) 2 ), lithium nitrite (LiNO 2 ), At least one selected from the group consisting of potassium nitrite (KNO 2 ) and cesium nitrite (CsNO 2 ) may be further included.

前記硝酸リチウムは、リチウム二次電池用電解液の総重量に対して0.5ないし10重量%、好ましくは1ないし6重量%、より好ましくは2ないし4重量%で含まれることができる。前記硝酸リチウムの含量がリチウム二次電池用電解液の総重量に対して0.5重量%未満の場合クーロン効率が急激に低くなることがあるし、10重量%を超える場合は電解液の粘度が高くなって駆動が難しい。一方、前記硝酸リチウムと硝酸ランタンの総含量は、リチウム二次電池用電解液の総重量に対して約2ないし10重量%であることが好ましく、この時、前記硝酸リチウムと硝酸ランタンの含量比は、重量比で1ないし5:5ないし1であるが、これに限定されない。 The lithium nitrate may be included in an amount of 0.5 to 10 wt%, preferably 1 to 6 wt%, more preferably 2 to 4 wt%, based on the total weight of the electrolyte for a lithium secondary battery. If the content of lithium nitrate is less than 0.5 wt% based on the total weight of the electrolyte for a lithium secondary battery, the coulombic efficiency may decrease sharply, and if it exceeds 10 wt%, the viscosity of the electrolyte may decrease. becomes high and difficult to drive. Meanwhile, the total content of lithium nitrate and lanthanum nitrate is preferably about 2 to 10% by weight based on the total weight of the electrolyte for a lithium secondary battery, and the content ratio of lithium nitrate and lanthanum nitrate. is in a weight ratio of 1 to 5:5 to 1, but is not limited thereto.

次に、本発明によるリチウム二次電池について説明する。前記リチウム二次電池は、正極、負極、前記正極と負極の間に介在される分離膜及び前記リチウム二次電池用電解液を含む。前記リチウム二次電池用電解液は、以上で説明したように、A)第1溶媒、B)第2溶媒、C)第3溶媒、D)リチウム塩、E)硝酸ランタン及びF)硝酸リチウムを含むものであって、具体的な内容は前述した内容を準用する。また、前記リチウム二次電池は当業界で通用する全てのリチウム二次電池であり、その中でリチウム-硫黄電池が最も好ましい。 Next, a lithium secondary battery according to the present invention will be described. The lithium secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte for the lithium secondary battery. As described above, the electrolytic solution for a lithium secondary battery contains A) a first solvent, B) a second solvent, C) a third solvent, D) a lithium salt, E) lanthanum nitrate and F) lithium nitrate. The above-mentioned contents apply mutatis mutandis to the specific contents. In addition, the lithium secondary battery may be any lithium secondary battery commonly used in the industry, among which the lithium-sulfur battery is most preferred.

以下、本発明によるリチウム二次電池において、正極、負極及び分離膜について、より具体的に説明する。 Hereinafter, the positive electrode, negative electrode and separator in the lithium secondary battery according to the present invention will be described in more detail.

前述したように、本発明のリチウム二次電池に含まれる正極は、正極活物質、バインダー及び導電材などを含む。前記正極活物質では通常的なリチウム二次電池に適用されるものであってもよく、例えば、硫黄元素(Elemental sulfur、S)、硫黄系列化合物またはこれらの混合物を含むことができるし、前記硫黄系列化合物は具体的に、Li(n≧1)、有機硫黄化合物または炭素-硫黄複合体((C:x=2.5~50、n≧2)などである。また、前記正極活物質は硫黄-炭素複合体を含むことができるし、硫黄物質は単独では電気伝導性がないため、導電材と複合して使用することができる。前記硫黄-炭素複合体を構成する炭素材(または、炭素源)は多孔性構造であるか、または比表面積が高いもので、当業界で通常使われるものであれば、いずれもかまわない。例えば、前記多孔性炭素材では、グラファイト(graphite);グラフェン(graphene);デンカブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック;単層カーボンナノチューブ(SWCNT)、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)などのカーボンナノチューブ(CNT);グラファイトナノファイバー(GNF)、カーボンナノファイバー(CNF)、活性化炭素ファイバー(ACF)などの炭素繊維;及び活性炭素からなる群から選択された1種以上であってもよいがこれに制限されず、その形態は球形、棒形、針状、板状、チューブ型またはバルク型でリチウム二次電池に通常使われるものであれば制限されずに使われることができる。 As described above, the positive electrode included in the lithium secondary battery of the present invention includes a positive electrode active material, a binder, a conductive material, and the like. The positive active material may be applied to a general lithium secondary battery, and may include, for example, elemental sulfur ( S8 ), a sulfur-based compound, or a mixture thereof. Specifically, the sulfur-based compound is Li 2 S n (n≧1), an organic sulfur compound or a carbon-sulfur complex ((C 2 S x ) n : x=2.5 to 50, n≧2), etc. be. In addition, the cathode active material may include a sulfur-carbon composite, and since the sulfur material alone has no electrical conductivity, it may be used in combination with a conductive material. The carbon material (or carbon source) constituting the sulfur-carbon composite has a porous structure or a high specific surface area, and any material commonly used in the industry may be used. For example, the porous carbon material includes graphite; graphene; carbon black such as Denka black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; single-walled carbon nanotubes ( Carbon nanotubes (CNT), such as SWCNT), multi-walled carbon nanotubes (MWCNT); carbon fibers, such as graphite nanofibers (GNF), carbon nanofibers (CNF), activated carbon fibers (ACF); and activated carbon. It may be selected from one or more types, but is not limited thereto, as long as the shape is spherical, rod-shaped, needle-shaped, plate-shaped, tube-shaped or bulk-shaped and is commonly used in lithium secondary batteries. Can be used without restrictions.

また、前記炭素材には気孔が形成されていて、前記気孔の空隙率は40ないし90%、好ましくは60ないし80%であって、前記気孔の空隙率が40%未満であればリチウムイオンの伝達が正常に行われないため、抵抗成分として作用して問題が発生することがあるし、90%を超える場合は機械的強度が低下される問題が発生する。また、前記炭素材の気孔の大きさは10nmないし5μm、好ましくは50nmないし5μmであって、前記気孔の大きさが10nm未満であればリチウムイオンの透過が不可能な問題が発生することがあるし、5μmを超える場合は電極の間の接触による電池短絡及び安全性問題が発生することがある。 Also, the carbon material has pores, and the porosity of the pores is 40 to 90%, preferably 60 to 80%. Since the transmission is not performed normally, it may act as a resistance component and cause problems. In addition, the pore size of the carbon material is 10 nm to 5 μm, preferably 50 nm to 5 μm, and if the pore size is less than 10 nm, lithium ions cannot permeate. However, if the thickness exceeds 5 μm, battery short circuit and safety problems may occur due to contact between electrodes.

前記バインダーは正極活物質と導電材などの結合及び集電体に対する結合に助力する成分であって、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデン-ポリヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVdF/HFP)、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、ポリビニルエーテル、ポリエチレン、ポリエチレンオキサイド、アルキル化ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレン、ポリメチル(メタ)アクリレート、ポリエチル(メタ)アクリレート、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピリジン、ポリビニルピロリドン、スチレン-ブタジエンゴム、アクリロニトリル-ブタジエンゴム、エチレン-プロピレン-ジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDMゴム、スチレン-ブチレンゴム、フッ素ゴム、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、及びこれらの混合物からなる群から選択される1種以上を使うことができるが、必ずこれに限定されるものではない。 The binder is a component that assists the binding of the positive electrode active material and the conductive material and the binding to the current collector. ), polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyvinyl ether, polyethylene, polyethylene oxide, alkylated polyethylene oxide, polypropylene, polymethyl (meth) acrylate, polyethyl (meth) acrylate, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, Polyvinylpyridine, polyvinylpyrrolidone, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber, sulfonated EPDM rubber, styrene-butylene rubber, fluororubber, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose , regenerated cellulose, and mixtures thereof, but are not necessarily limited thereto.

前記バインダーは通常的に正極総重量100重量部を基準にして1ないし50重量部、好ましくは3ないし15重量部添加される。前記バインダーの含量が1重量部未満であれば正極活物質と集電体との接着力が不十分になることがあるし、50重量部を超えると接着力は向上されるが、その分正極活物質の含量が減少して電池容量が低くなる。 The binder is generally added in an amount of 1 to 50 parts by weight, preferably 3 to 15 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode. If the content of the binder is less than 1 part by weight, the adhesion between the positive electrode active material and the current collector may be insufficient. As the active material content decreases, the battery capacity decreases.

前記正極に含まれる導電材はリチウム二次電池の内部環境で副反応を引き起こすことなく、当該電池に化学的変化を引き起こさずに、優れる電気伝導性を持つものであれば特に制限されないし、代表的には黒鉛または導電性炭素を使用することができるし、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛;カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラックなどのカーボンブラック;結晶構造がグラフェンやグラファイトである炭素系物質;炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維;フッ化カーボン;アルミニウム粉末、ニッケル粉末などの金属粉末;酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性酸化物;及びポリフェニレン誘導体などの導電性高分子;を単独で、または2種以上混合して使用することができるが、必ずこれに限定されるものではない。 The conductive material contained in the positive electrode is not particularly limited as long as it has excellent electrical conductivity without causing side reactions in the internal environment of the lithium secondary battery and without causing chemical changes in the battery. For example, graphite or conductive carbon can be used, for example, graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon black, acetylene black, ketjen black, denka black, thermal black, channel black, furnace black, lamp carbon black such as black; carbon-based substances whose crystal structure is graphene or graphite; conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; carbon fluoride; metal powder such as aluminum powder and nickel powder; zinc oxide, potassium titanate, etc. conductive whiskers; conductive oxides such as titanium oxide; and conductive polymers such as polyphenylene derivatives; do not have.

前記導電材は通常的に正極全体重量100重量部を基準にして0.5ないし50重量部、好ましくは1ないし30重量部で添加される。導電材の含量が0.5重量部未満で少なすぎると電気伝導性の向上効果を期待しがたいか、または電池の電気化学的特性が低下されることがあるし、導電材の含量が50重量部を超えて多すぎると相対的に正極活物質の量が少なくなって容量及びエネルギー密度が低下される。正極に導電材を含ませる方法はあまり制限されず、正極活物質へのコーティングなど当分野に公知された通常の方法を使うことができる。また、必要に応じて、正極活物質に導電性の第2被覆層が付加されることによって前記のような導電材の添加を代わることもできる。 The conductive material is generally added in an amount of 0.5 to 50 parts by weight, preferably 1 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total weight of the positive electrode. If the content of the conductive material is less than 0.5 parts by weight, the effect of improving the electrical conductivity may not be expected, or the electrochemical characteristics of the battery may be deteriorated. If the amount exceeds the weight part, the amount of the positive electrode active material is relatively small, resulting in a decrease in capacity and energy density. The method of including the conductive material in the positive electrode is not particularly limited, and a conventional method known in the art such as coating the positive electrode active material can be used. Also, if necessary, the addition of the conductive material as described above can be replaced by adding a conductive second coating layer to the positive electrode active material.

また、本発明の正極にはその膨脹を抑制する成分として充填剤が選択的に添加されることができる。このような充填剤は当該電池に化学的変化を引き起こさずに電極の膨脹を抑制することができるものであれば、特に制限されないし、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオリフィン系重合体;ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質;などを使うことができる。 In addition, a filler may be selectively added to the positive electrode of the present invention as a component that suppresses the expansion thereof. Such a filler is not particularly limited as long as it can suppress the expansion of the electrode without causing a chemical change in the battery. Examples include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; glass fiber; A fibrous material such as carbon fiber; and the like can be used.

前記正極は正極活物質、バインダー及び導電材などを分散媒(溶媒)に分散、混合させてスラリーを作って、これを正極集電体上に塗布した後、乾燥及び圧延することで製造されることができる。前記分散媒では、N-メチル-2-ピロリドン(NMP:N-methyl-2-pyrrolidone)、ジメチルホルムアミド(DMF:Dimethyl formamide)、ジメチルスルホキシド(DMSO:Dimethyl sulfoxide)、エタノール、イソプロパノール、水及びこれらの混合物を使用することができるが、必ずこれに限定されるものではない。 The positive electrode is manufactured by dispersing and mixing a positive electrode active material, a binder, a conductive material, etc. in a dispersion medium (solvent) to prepare a slurry, applying the slurry on a positive electrode current collector, drying and rolling the slurry. be able to. The dispersion medium includes N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), ethanol, isopropanol, water and these Mixtures can be used, but are not necessarily limited to this.

前記正極集電体では、白金(Pt)、金(Au)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、銀(Ag)、ルテニウム(Ru)、ニッケル(Ni)、ステンレススチール(STS)、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、カーボン(C)、チタン(Ti)、タングステン(W)、ITO(In doped SnO)、FTO(F doped SnO)、及びこれらの合金と、アルミニウム(Al)またはステンレススチールの表面にカーボン(C)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)または銀(Ag)を表面処理したものなどを使うことができるが、必ずこれに限定されるものではない。正極集電体の形態は、ホイル、フィルム、シート、打ち抜かれたもの、多孔質体、発泡体などの形態である。 The positive electrode current collector includes platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), iridium (Ir), silver (Ag), ruthenium (Ru), nickel (Ni), stainless steel (STS), aluminum ( Al), molybdenum (Mo), chromium (Cr), carbon (C), titanium (Ti), tungsten (W), ITO (In doped SnO 2 ), FTO (F doped SnO 2 ), and alloys thereof; Aluminum (Al) or stainless steel surface treated with carbon (C), nickel (Ni), titanium (Ti) or silver (Ag) may be used, but is not necessarily limited thereto. do not have. The positive electrode current collector may be in the form of foil, film, sheet, punched material, porous material, foam, or the like.

前記負極はリチウム系金属であり、リチウム系金属の一側に集電体をさらに含むことができる。前記集電体は負極集電体が使われることができる。前記負極集電体は電池に化学的変化を引き起こさずに高い導電性を持つものであれば特に制限されないし、銅、アルミニウム、ステンレススチール、亜鉛、チタン、銀、パラジウム、ニッケル、鉄、クロム、これらの合金及びこれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。前記ステンレススチールはカーボン、ニッケル、チタンまたは銀で表面処理されることができるし、前記合金ではアルミニウム-カドミウム合金を使うことができるし、その他にも焼成炭素、導電材で表面処理された非伝導性高分子または伝導性高分子などを使うこともできる。一般に、負極集電体では銅薄板を適用する。 The negative electrode is a lithium-based metal, and may further include a current collector on one side of the lithium-based metal. A negative current collector may be used as the current collector. The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. It can be selected from the group consisting of these alloys and combinations thereof. The stainless steel can be surface treated with carbon, nickel, titanium or silver; A flexible polymer or a conductive polymer can also be used. In general, a thin copper plate is applied for the negative electrode current collector.

また、その形態は表面に微細な凹凸が形成された/未形成されたフィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態が使われることができる。また、前記負極集電体は3ないし500μmの厚さ範囲のものを適用する。前記負極集電体の厚さが3μm未満であれば集電効果が落ちることに対して、厚さが500μmを超えるとセルをフォールディング(folding)して組み立てる場合、加工性が低下する問題点がある。 In addition, various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, non-woven fabrics, etc. with or without fine irregularities formed on the surface can be used. Also, the negative electrode current collector has a thickness ranging from 3 to 500 μm. If the thickness of the negative electrode current collector is less than 3 μm, the current collection effect is reduced. be.

前記リチウム系金属はリチウムまたはリチウム合金である。このとき、リチウム合金はリチウムと合金化可能な元素を含み、具体的にリチウムとSi、Sn、C、Pt、Ir、Ni、Cu、Ti、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Sb、Pb、In、Zn、Ba、Ra、Ge及びAlからなる群から選択される1種以上との合金である。 The lithium-based metal is lithium or a lithium alloy. At this time, the lithium alloy includes an element that can be alloyed with lithium, specifically lithium and Si, Sn, C, Pt, Ir, Ni, Cu, Ti, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg. , Ca, Sr, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge and Al.

前記リチウム系金属はシートまたはホイルの形態であり、場合によって集電体上にリチウムまたはリチウム合金が乾式工程によって蒸着またはコーティングされた形態であったり、粒子状の金属及び合金が湿式工程などによって蒸着またはコーティングされた形態である。 The lithium-based metal is in the form of a sheet or foil, and in some cases, lithium or a lithium alloy is deposited or coated on a current collector by a dry process, or a particulate metal or alloy is deposited by a wet process. or in coated form.

前記正極と負極との間には通常の分離膜が介在されることができる。前記分離膜は電極を物理的に分離する機能を持つ物理的な分離膜であって、通常の分離膜で使われるものであれば特に制限されずに使用可能であり、特に電解液のイオン移動に対して低抵抗でありながら電解液の含湿能力に優れるものが好ましい。 A common separator may be interposed between the positive electrode and the negative electrode. The separation membrane is a physical separation membrane having a function of physically separating the electrodes, and can be used without particular limitation as long as it is used in a normal separation membrane, especially ion migration of the electrolyte. It is preferable to use a material that has a low resistance to the electrolyte and is excellent in the ability to absorb moisture from the electrolytic solution.

また、前記分離膜は正極と負極を互いに分離または絶縁させながら正極と負極の間にリチウムイオンの輸送を可能とする。このような分離膜は多孔性で、非伝導性または絶縁性の物質からなる。前記分離膜はフィルムのような独立的な部材であるか、または正極及び/または負極に付加されたコーティング層である。 In addition, the separation membrane separates or insulates the positive electrode and the negative electrode from each other and allows lithium ions to be transported between the positive electrode and the negative electrode. Such separation membranes are made of porous, non-conducting or insulating materials. The separator is an independent member such as a film, or a coating layer added to the positive electrode and/or the negative electrode.

前記分離膜で使われることができるポリオレフィン系多孔性膜の例では、高密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレンのようなポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリペンテンなどのポリオレフィン系高分子をそれぞれ単独でまたはこれらを混合した高分子で形成した膜を挙げることができる。前記分離膜で使われることができる不織布の例では、ポリフェニレンオキサイド(polyphenyleneoxide)、ポリイミド(polyimide)、ポリアミド(polyamide)、ポリカーボネート(polycarbonate)、ポリエチレンテレフタレート(polyethyleneterephthalate)、ポリエチレンナフタレート(polyethylenenaphthalate)、ポリブチレンテレフタレート(polybutyleneterephthalate)、ポリフェニレンスルフィド(polyphenylenesulfide)、ポリアセタール(polyacetal)、ポリエーテルスルホン(polyethersulfone)、ポリエーテルエーテルケトン(polyetheretherketone)、ポリエステル(polyester)などをそれぞれ単独でまたはこれらを混合した高分子で形成した不織布が可能であり、このような不織布は多孔性ウェブ(web)を形成する繊維形態であって、長繊維で構成されたスパンボンド(spunbond)またはメルトブローン(meltblown)形態を含む。 Examples of polyolefin-based porous membranes that can be used in the separation membrane include polyethylenes such as high-density polyethylene, linear low-density polyethylene, low-density polyethylene, ultra-high molecular weight polyethylene, and polyolefin-based membranes such as polypropylene, polybutylene, and polypentene. Membranes formed by using a polymer alone or a mixture of these polymers can be mentioned. Examples of nonwoven fabrics that can be used in the separation membrane include polyphenyleneoxide, polyimide, polyamide, polycarbonate, polyethyleneterephthalate, polyethylenenaphthalate, polybutylene. Polymers such as terephthalate, polyphenylene sulfide, polyacetal, polyethersulfone, polyetheretherketone, polyester, etc. are formed alone or as a mixture thereof. Non-woven fabrics are possible, and such non-woven fabrics include spunbond or meltblown forms made up of long fibers in the form of fibers that form a porous web.

前記分離膜の厚さは特に制限されないが、1ないし100μm範囲が好ましく、より好ましくは5ないし50μm範囲である。前記分離膜の厚さが1μm未満の場合は機械的物性を維持することができないし、100μmを超える場合は前記分離膜が抵抗層で作用して電池の性能が低下する。前記分離膜の気孔の大きさ及び空隙率は特に制限されないが、気孔の大きさは0.1ないし50μmで、空隙率は10ないし95%であることが好ましい。前記分離膜の気孔の大きさが0.1μm未満であったり、空隙率が10%未満であれば分離膜が抵抗層で作用し、気孔の大きさが50μmを超えたり空隙率が95%を超える場合は機械的物性を維持することができない。 Although the thickness of the separator is not particularly limited, it is preferably in the range of 1 to 100 μm, more preferably in the range of 5 to 50 μm. If the thickness of the separator is less than 1 μm, the mechanical properties cannot be maintained. Although the pore size and porosity of the separator are not particularly limited, the pore size is preferably 0.1 to 50 μm and the porosity is 10 to 95%. When the pore size of the separation membrane is less than 0.1 μm or the porosity is less than 10%, the separation membrane acts as a resistance layer, and the pore size exceeds 50 μm or the porosity is less than 95%. If it exceeds, the mechanical properties cannot be maintained.

以上のような正極、負極、分離膜及び電解液を含む本発明のリチウム二次電池は、正極を負極と対面させてその間に分離膜を介在した後、本発明によるリチウム二次電池用電解液を注入する工程を通じて製造されることができる。 The lithium secondary battery of the present invention comprising the positive electrode, the negative electrode, the separation membrane and the electrolyte as described above is obtained by placing the positive electrode facing the negative electrode and interposing the separation membrane therebetween, followed by can be manufactured through a process of injecting

一方、本発明によるリチウム二次電池は小型デバイスの電源で使われる電池セルに適用されることは勿論、中大型デバイスの電源である電池モジュールの単位電池として特に適合に使われることができる。このような側面において、本発明はまた2個以上がリチウム二次電池が電気的に連結(直列または並列)されて含まれた電池モジュールを提供する。前記電池モジュールに含まれるリチウム二次電池の数量は、電池モジュールの用途及び容量などを考慮して多様に調節されることができることは勿論である。さらに、本発明は当分野の通常の技術にしたがって前記電池モジュールを電気的に連結した電池パックを提供する。前記電池モジュール及び電池パックは、パワーツール(Power Tool);電気自動車(Electric Vehicle、EV)、ハイブリッド電気自動車(Hybrid Electric Vehicle、HEV)、及びプラグインハイブリッド電気自動車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle、PHEV)を含む電気自動車;電気トラック;電気商用車;または電力貯蔵用システムのいずれか一つ以上の中大型デバイス電源で利用可能であるが、必ずこれに限定されるものではない。 On the other hand, the lithium secondary battery according to the present invention can be applied not only as a battery cell used as a power source for small devices, but also as a unit battery of a battery module as a power source for medium and large devices. In this aspect, the present invention also provides a battery module including two or more lithium secondary batteries electrically connected (in series or parallel). Of course, the number of lithium secondary batteries included in the battery module can be variously adjusted in consideration of the usage and capacity of the battery module. Further, the present invention provides a battery pack in which the battery modules are electrically connected according to the ordinary skill in the art. The battery modules and battery packs are used in power tools; electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEV). ); electric trucks; electric commercial vehicles; or systems for power storage.

以下、本発明を理解しやすくするために好ましい実施例を提示するが、下記実施例は本発明を例示するものに過ぎず、本発明の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であることは当業者にとって自明であり、このような変更及び修正が添付された特許請求の範囲に属することも当然である。 Hereinafter, preferred embodiments are presented to facilitate understanding of the present invention, but the following embodiments are merely illustrative of the present invention, and various changes and modifications can be made within the scope and technical spirit of the present invention. It is obvious to a person skilled in the art that such changes and modifications are possible and should be covered by the appended claims.

[実施例1]リチウム二次電池の製造
電解液製造
先ず、2-メチルフラン(第1溶媒)、ジメトキシエタン(第2溶媒)及びビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エーテル(BTFE、第3溶媒)を20:79:1の体積比(v/v)で混合した有機溶媒に、LiFSIの濃度が0.75Mになるようにこれを溶解させた後、電解液の総重量を基準にして3重量%の硝酸リチウム(LiNO)と5重量%の硝酸ランタン(La(NO)を添加してリチウム二次電池用電解液を製造した。ここで、前記硝酸ランタン(La(NO)は、Aldrich社のLa(NO・6HOを18時間、180℃で真空乾燥させてHOを取り除いて製造されたものである。
[Example 1] Production of lithium secondary battery Electrolyte production First, 2-methylfuran (first solvent), dimethoxyethane (second solvent), third solvent) at a volume ratio (v/v) of 20:79:1. 3% by weight of lithium nitrate (LiNO 3 ) and 5% by weight of lanthanum nitrate (La(NO 3 ) 3 ) were added to prepare an electrolyte for a lithium secondary battery. Here, the lanthanum nitrate (La(NO 3 ) 3 ) was prepared by vacuum-drying La(NO 3 ) 3.6H 2 O from Aldrich at 180° C. for 18 hours to remove H 2 O. is.

正極製造
正極活物質で硫黄-炭素(CNT)複合体(S/C 70:30重量比)90重量部、導電材でデンカブラック5重量部、バインダーでスチレンブタジエンゴム/カルボキシメチルセルロース(SBR/CMC 7:3)5重量部を混合して正極スラリー組成物を製造した後、前記製造されたスラリー組成物を集電体(Al箔(Foil))上にコーティングして50℃で12時間乾燥してロールプレス(roll press)機器で圧搾して正極を製造した(この時、ローディング量は3.5mAh/cmで、電極の空隙率(porosity)は65%にした)。
Positive electrode manufacturing Positive electrode active material sulfur-carbon (CNT) composite (S/C 70:30 weight ratio) 90 parts by weight, conductive material Denka black 5 parts by weight, binder styrene-butadiene rubber/carboxymethyl cellulose (SBR/CMC 7) 3) After preparing a positive electrode slurry composition by mixing 5 parts by weight, the prepared slurry composition was coated on a current collector (Al foil) and dried at 50° C. for 12 hours. A positive electrode was manufactured by pressing with a roll press machine (at this time, the loading amount was 3.5 mAh/cm 2 and the porosity of the electrode was 65%).

リチウム二次電池(リチウム-硫黄電池)製造
前記製造された正極と150μm厚さのリチウム金属負極を対面するように位置させて、その間にポリエチレン(PE)分離膜を介在した後、前記製造された電解液を注入してコインセルタイプのリチウム-硫黄電池を製造した。一方、前記電池の製造において、前記正極は14phiの円形電極で打ち抜いて使用し、前記ポリエチレン分離膜は19phiで、前記リチウム金属は16phiで打ち抜いて使用した。
Manufacture of a lithium secondary battery (lithium-sulfur battery) The positive electrode and the lithium metal negative electrode having a thickness of 150 μm were positioned to face each other, and a polyethylene (PE) separator was interposed therebetween. A coin cell type lithium-sulfur battery was manufactured by injecting an electrolyte. Meanwhile, in manufacturing the battery, the positive electrode was used by punching out a circular electrode of 14 phi, the polyethylene separator was punched out of 19 phi, and the lithium metal was punched out of 16 phi.

[実施例2~6、比較例1~4]リチウム二次電池の製造
電解液組成を下記表1のように変更したことを除いては、前記実施例1と同様に行って実施例2ないし6及び比較例1ないし4のリチウム二次電池を製造した。
[Examples 2 to 6, Comparative Examples 1 to 4] Production of Lithium Secondary Battery The procedure of Examples 2 to 4 was carried out in the same manner as in Example 1, except that the composition of the electrolyte solution was changed as shown in Table 1 below. 6 and Comparative Examples 1 to 4 were manufactured.

Figure 2022550822000002
Figure 2022550822000002

[実験例1]リチウム二次電池のクーロン効率評価
前記実施例1ないし6で製造されたリチウム二次電池(正確には、リチウム-硫黄電池)を0.1Cで3サイクル(cycle)間充電及び放電させた後、続いて0.2C充電、0.3C放電させて行い、電池のクーロン効率を評価した。この時、使われた電圧(Voltage)範囲は1.8~2.5Vで(すなわち、放電は1.8Vまで、充電は2.5Vまで)、評価温度は25℃にした。
[Experimental Example 1] Evaluation of coulombic efficiency of lithium secondary batteries The lithium secondary batteries (specifically, lithium-sulfur batteries) manufactured in Examples 1 to 6 were charged at 0.1C for 3 cycles and After discharging, the battery was charged at 0.2C and discharged at 0.3C to evaluate the coulombic efficiency of the battery. At this time, the voltage range used was 1.8 to 2.5V (that is, discharge to 1.8V and charge to 2.5V), and the evaluation temperature was 25°C.

図1及び2は、本発明の一実施例によって製造されたリチウム二次電池のクーロン効率、放電容量及び寿命性能を示すグラフであって、電解液の中でジメトキシエタン含量の一部をBTFEに代替し、また、硝酸ランタン(La(NO)とLiFSIをともに適用した実施例1ないし6のリチウム-硫黄電池、全て図1及び2に示されたように、クーロン効率に優れ(いずれも99%を上回って100%に近いほどに優れることを確認)、全体的にBTFEの含量が高くなるほどクーロン効率も高くなる傾向を示す。これを通じて、BTFEの含量を高めるほどリチウム-硫黄電池の寿命性能に影響を及ぼすクーロン効率が高くなることを確認することができた。 1 and 2 are graphs showing the coulombic efficiency, discharge capacity and life performance of a lithium secondary battery manufactured according to an embodiment of the present invention, in which a part of the dimethoxyethane content in the electrolyte is replaced with BTFE. Alternatively, the lithium-sulfur batteries of Examples 1 to 6, in which both lanthanum nitrate (La(NO 3 ) 3 ) and LiFSI were applied, all exhibited excellent coulombic efficiency as shown in FIGS. The higher the BTFE content, the higher the coulombic efficiency. Through this, it was confirmed that the coulombic efficiency, which affects the life performance of the lithium-sulfur battery, increases as the content of BTFE increases.

[実験例2]リチウム二次電池の寿命特性及び放電容量評価
前記比較例1ないし4で製造されたリチウム二次電池(正確には、リチウム-硫黄電池)を0.1Cで3サイクル(cycle)間充電及び放電させた後、続いて0.2C充電、0.3C放電させて行って、電池の寿命特性及び放電容量を評価した。この時、使われた電圧(Voltage)範囲は1.8~2.5Vで(すなわち、放電は1.8Vまで、充電は2.5Vまで)、評価温度は25℃にした。
[Experimental Example 2] Evaluation of life characteristics and discharge capacity of lithium secondary batteries After the battery was charged and discharged for a period of time, it was then charged at 0.2C and discharged at 0.3C to evaluate the life characteristics and discharge capacity of the battery. At this time, the voltage range used was 1.8 to 2.5V (that is, discharge to 1.8V and charge to 2.5V), and the evaluation temperature was 25°C.

図3は比較例によって製造されたリチウム二次電池のクーロン効率、放電容量及び寿命性能を示すグラフであって、図1ないし3に示されたように、電解液の中でジメトキシエタン含量の一部をBTFEに代替し、また、硝酸ランタン(La(NO)とLiFSIをともに適用した実施例1のリチウム-硫黄電池は、電解液にBTFEを含ませない比較例1ないし4のリチウム-硫黄電池に比べて放電容量は類似に維持しながらも、クーロン効率に優れる(比較例1及び2に比べて寿命特性までも優秀)。これを通じて、BTFEを使えばクーロン効率が高くなってリチウム-硫黄電池の寿命性能が向上されることが分かった。 FIG. 3 is a graph showing the coulombic efficiency, discharge capacity and life performance of the lithium secondary battery manufactured according to Comparative Example. The lithium-sulfur battery of Example 1, in which the part was replaced with BTFE and both lanthanum nitrate (La(NO 3 ) 3 ) and LiFSI were applied, was the lithium-sulfur battery of Comparative Examples 1 to 4, which did not contain BTFE in the electrolyte. - Excellent coulombic efficiency while maintaining similar discharge capacity as compared to sulfur battery (also excellent in life characteristics compared to Comparative Examples 1 and 2). Through this, it was found that the use of BTFE increases the coulomb efficiency and improves the life performance of the lithium-sulfur battery.

次に、図1及び2を参照して実施例1ないし6の寿命特性及び放電容量を見ると、実施例1ないし6はいずれもBTFE含量の増加によってクーロン効率及び寿命性能が向上されることを確認することができる。ただし、LiFSIを0.75M使用した実施例1ないし3の中でBTFEを10体積%で使用した実施例3の場合、実施例1及び2に比べて放電容量がやや低くなっているが、LiFSIを0.5M使用し、BTFEを10体積%で使用した実施例6の場合は、実施例3に対比して放電容量が高いことを確認することができた。したがって、本発明の電解液に含まれるLiFSIはなるべく0.5Mに近い濃度になるように使用することが好ましいことが分かる。 Next, looking at the life characteristics and discharge capacity of Examples 1 to 6 with reference to FIGS. can be confirmed. However, in the case of Example 3 in which BTFE was used at 10% by volume among Examples 1 to 3 in which 0.75 M of LiFSI was used, the discharge capacity was slightly lower than in Examples 1 and 2, but LiFSI was used at 0.5M and BTFE was used at 10% by volume. Therefore, it can be seen that it is preferable to use LiFSI contained in the electrolytic solution of the present invention at a concentration as close to 0.5M as possible.

以上を総合してみると、本発明の電解液はBTFEなどの第3溶媒がジメトキシエタンなどの第2溶媒の一部を代替し、また、第3溶媒の含量を増加させるほど電池のクーロン効率及び寿命性能を向上させることができる。ただし、第3溶媒の含量が増加するほど抵抗も増加して放電容量が低くなる恐れがあるので、特にリチウム塩(LiFSI)の濃度と第3溶媒の含量を必ず本発明の範疇内で設定することが要求される。 Summarizing the above, in the electrolytic solution of the present invention, the third solvent such as BTFE replaces a part of the second solvent such as dimethoxyethane, and the coulombic efficiency of the battery increases as the content of the third solvent increases. And life performance can be improved. However, as the content of the third solvent increases, the resistance increases and the discharge capacity may decrease. Therefore, the concentration of the lithium salt (LiFSI) and the content of the third solvent must be set within the scope of the present invention. is required.

Claims (15)

一つ以上の二重結合を含むと同時に酸素原子及び硫黄原子の中でいずれか一つを含むヘテロ環化合物を含む第1溶媒と;
フッ素を含まないエーテル系化合物、エステル系化合物、アミド系化合物及びカーボネート系化合物の中でいずれか一つ以上を含む第2溶媒と;
ヒドロフルオロエーテル系化合物を含む第3溶媒と;
リチウム塩と;
硝酸ランタンと;
硝酸リチウムと;を含むリチウム二次電池用電解液。
a first solvent containing a heterocyclic compound containing at least one double bond and at the same time containing any one of an oxygen atom and a sulfur atom;
a second solvent containing at least one of fluorine-free ether-based compounds, ester-based compounds, amide-based compounds, and carbonate-based compounds;
a third solvent containing a hydrofluoroether compound;
a lithium salt;
lanthanum nitrate;
An electrolyte for a lithium secondary battery, comprising lithium nitrate;
前記第1溶媒、第2溶媒及び第3溶媒の全体含量を基準にして、前記第1溶媒の含量は5ないし50体積%で、前記第2溶媒の含量は45ないし90体積%で、前記第3溶媒の含量は1ないし10体積%であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池用電解液。 Based on the total content of the first solvent, the second solvent and the third solvent, the content of the first solvent is 5 to 50% by volume, the content of the second solvent is 45 to 90% by volume, and the first The electrolyte for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the content of the three solvents is 1 to 10% by volume. 前記第2溶媒と第3溶媒の混合比は体積比として7~79:1であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池用電解液。 2. The electrolyte solution for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the mixing ratio of the second solvent and the third solvent is 7 to 79:1 in terms of volume ratio. 前記ヒドロフルオロエーテル系化合物は、ビス(フルオロメチル)エーテル、2-フルオロメチルエーテル、1,1,2,2-テトラフルオロエチル2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル、ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エーテル、プロピル1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル、イソプロピル1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル、1,1,2,2-テトラフルオロエチルイソブチルエーテル、1,1,2,3,3,3-ヘキサフルオロプロピルエチルエーテル、1H,1H,2’H,3H-デカフルオロジプロピルエーテル及び1H,1H,2’H-パーフルオロジプロピルエーテルからなる群から選択される1種以上であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用電解液。 The hydrofluoroether compounds include bis(fluoromethyl) ether, 2-fluoromethyl ether, 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether, bis(2,2 ,2-trifluoroethyl) ether, propyl 1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether, isopropyl 1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether, 1,1,2,2-tetrafluoroethyl isobutyl ether , 1,1,2,3,3,3-hexafluoropropylethyl ether, 1H,1H,2′H,3H-decafluorodipropyl ether and 1H,1H,2′H-perfluorodipropyl ether 4. The electrolytic solution for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrolytic solution is one or more selected from the group. 前記ヘテロ環化合物は、フラン、2-メチルフラン、3-メチルフラン、2-エチルフラン、2-プロピルフラン、2-ブチルフラン、2,3-ジメチルフラン、2,4-ジメチルフラン、2,5-ジメチルフラン、ピラン、2-メチルピラン、3-メチルピラン、4-メチルピラン、ベンゾフラン、2-(2-ニトロビニル)フラン、チオフェン、2-メチルチオフェン、2-エチルチオフェン、2-プロピルチオフェン、2-ブチルチオフェン、2,3-ジメチルチオフェン、2,4-ジメチルチオフェン及び2,5-ジメチルチオフェンからなる群から選択されることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池用電解液。 The heterocyclic compound includes furan, 2-methylfuran, 3-methylfuran, 2-ethylfuran, 2-propylfuran, 2-butylfuran, 2,3-dimethylfuran, 2,4-dimethylfuran, 2,5 -dimethylfuran, pyran, 2-methylpyran, 3-methylpyran, 4-methylpyran, benzofuran, 2-(2-nitrovinyl)furan, thiophene, 2-methylthiophene, 2-ethylthiophene, 2-propylthiophene, 2-butylthiophene , 2,3-dimethylthiophene, 2,4-dimethylthiophene and 2,5-dimethylthiophene. 前記リチウム塩は、LiCl、LiBr、LiI、LiClO、LiBF、LiB10Cl10、LiPF、LiCFSO、LiCFCO、LiCBO、LiAsF、LiSbF、LiAlCl、CHSOLi、CFSOLi、(CSONLi、LiFSI((SOF)Nli)、(CFSOCLi、クロロボランリチウム、炭素数4以下の低級脂肪族カルボン酸リチウム、4-フェニルホウ酸リチウム及びリチウムイミドからなる群から選択される1種以上であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池用電解液。 The lithium salts include LiCl, LiBr, LiI, LiClO4 , LiBF4 , LiB10Cl10 , LiPF6 , LiCF3SO3 , LiCF3CO2 , LiC4BO8 , LiAsF6 , LiSbF6 , LiAlCl4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi, LiFSI ((SO 2 F) 2 Nli), (CF 3 SO 2 ) 3 CLi, lithium chloroborane, 4 or less carbon atoms Lithium lower aliphatic carboxylate, lithium 4-phenylborate and lithium imide. 前記リチウム塩はLiFSIを含むことを特徴とする、請求項6に記載のリチウム二次電池用電解液。 7. The electrolyte for a lithium secondary battery according to claim 6, wherein the lithium salt contains LiFSI. 前記リチウム塩の濃度は0.1ないし2Mであることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池用電解液。 The electrolyte for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the lithium salt has a concentration of 0.1 to 2M. 前記リチウム二次電池用電解液は、硝酸カリウム、硝酸セシウム、硝酸マグネシウム、硝酸バリウム、亜硝酸リチウム、亜硝酸カリウム及び亜硝酸セシウムからなる群から選択される1種以上をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池用電解液。 The lithium secondary battery electrolyte further comprises one or more selected from the group consisting of potassium nitrate, cesium nitrate, magnesium nitrate, barium nitrate, lithium nitrite, potassium nitrite and cesium nitrite. The electrolytic solution for a lithium secondary battery according to claim 1. 前記硝酸リチウムと硝酸ランタンの総含量は、前記リチウム二次電池用電解液の総重量に対して2ないし10重量%であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池用電解液。 2. The electrolyte for lithium secondary batteries according to claim 1, wherein the total content of said lithium nitrate and lanthanum nitrate is 2 to 10% by weight based on the total weight of said electrolyte for lithium secondary batteries. liquid. 前記フッ素を含まないエーテル系化合物は、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、メチルエチルエーテル、メチルプロピルエーテル、エチルプロピルエーテル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、メトキシエトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールメチルエチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジエチルエーテル、テトラエチレングリコールメチルエチルエーテル、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、ポリエチレングリコールジエチルエーテル及びポリエチレングリコールメチルエチルエーテルからなる群から選択される1種以上であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池用電解液。 The fluorine-free ether compounds include dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methyl ethyl ether, methyl propyl ether, ethyl propyl ether, dimethoxyethane, diethoxyethane, methoxyethoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, and diethylene glycol. Methyl ethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol methyl ethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol diethyl ether, tetraethylene glycol methyl ethyl ether, polyethylene glycol dimethyl ether, polyethylene glycol diethyl ether and polyethylene 2. The electrolyte for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the electrolyte is at least one selected from the group consisting of glycol methyl ethyl ether. 前記リチウム二次電池用電解液は、第1溶媒である2-メチルフラン、第2溶媒であるジメトキシエタン、第3溶媒であるビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エーテル、LiFSI、硝酸ランタン及び硝酸リチウムを含むことを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池用電解液。 The electrolyte for lithium secondary batteries includes 2-methylfuran as a first solvent, dimethoxyethane as a second solvent, bis(2,2,2-trifluoroethyl) ether as a third solvent, LiFSI, nitric acid 2. The electrolyte for a lithium secondary battery according to claim 1, comprising lanthanum and lithium nitrate. 前記電解液はリチウム-硫黄電池用であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池用電解液。 The electrolyte for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the electrolyte is for a lithium-sulfur battery. 正極と;負極と;前記正極と負極との間に介在される分離膜と;請求項1に記載のリチウム二次電池用電解液と;を含むリチウム二次電池。 A lithium secondary battery comprising: a positive electrode; a negative electrode; a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and the electrolyte for a lithium secondary battery according to claim 1 . 前記リチウム二次電池はリチウム-硫黄電池であることを特徴とする、請求項14に記載のリチウム二次電池。 The lithium secondary battery according to claim 14, wherein the lithium secondary battery is a lithium-sulfur battery.
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